(57)【要約】  【課題】特性の劣化や製造の困難さを招くことなく、積層体の変位による応力を少なくすることができる構造の積層型圧電素子を提供する。  【解決手段】複数の圧電層１と複数の内部電極２とにより積層体を構成する。この積層体の積層方向に平行をなす側面に、第１の内部電極２が接続された第１の外部電極３と第２の内部電極２が接続された第２の外部電極３とを設ける。第１の内部電極（第２の内部電極）２の第２の外部電極（第１の外部電極）側の縁は、第２の外部電極（第１の外部電極）３を設ける積層体の側面より内部側に位置している。第１の内部電極（第２の内部電極）２の第２の外部電極（第１の外部電極）３側の縁部と第２の外部電極（第１の外部電極）３との間にガラス層５がある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電層と複数の内部電極とにより積層体を構成し、この積層体の積層方向に平行をなす側面に、第１の内部電極が接続された第１の外部電極と第２の内部電極が接続された第２の外部電極とを設けた積層型圧電素子であって、
前記第１の内部電極の前記第２の外部電極側の縁部は前記第２の外部電極を設ける積層体の側面より内部側に位置しており、
前記第１の内部電極の前記第２の外部電極側の縁部と第２の外部電極との間にガラス層があり、
前記第２の内部電極の前記第１の外部電極側の縁部は前記第１の外部電極を設ける積層体の側面より内部側に位置しており、
前記第２の内部電極の前記第１の外部電極側の縁部と第１の外部電極との間にガラス層がある
ことを特徴とする積層型圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層型圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の圧電素子として、複数の圧電層と内部電極とが交互に積層されてなる積層型圧電素子がある。このような圧電素子においては、内部電極の重なった部分（活性部）では印加される電圧に応じて圧電層が変位するが、他の部分（非活性部）は変位しない。この非活性部は積層体の積層方向に延在しているため、積層体の積層方向への変位（伸縮動作）を阻害する。そのため、圧電素子の製造時に分極処理が施されたり、あるいは圧電素子が長期にわたって使用されたりすると、積層体の内部に至るクラックが発生する。そしてそのクラックの発生位置で外部電極が切断されて、内部電極と外部電極との接続が断たれる断線が生じるおそれがある。
【０００３】
このような断線を防止するため、特許文献１においては、積層体の積層方向に平行な側面に所定の間隔をもって溝を形成することにより、変位によって生じる応力を分散させたものが提案されている。
【０００４】
また、上記のように積層体内に非活性部を設けるとその部分に応力が発生するため、積層体内部には非活性部を設けず、全内部電極の周辺部を全て積層体の積層方向に平行をなす側面に露出させ、外部電極を設ける側面には、１つおきにガラス膜によって内部電極を覆って外部電極との絶縁を図ったものが特許文献２に開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平４−３３７６８２号公報
【特許文献２】特開平７−１０６６５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１に記載の溝を有する積層型圧電素子において、仮にこの溝を焼成後に切削により形成しようとすると、素子が硬いために溝の形成に時間がかかるという問題点がある。また、前記特許文献１に記載のように、グリーンシートにカーボン粉末が含まれたペーストを塗布し、焼成時にそのカーボンを飛ばすことによって溝を形成する方法を採用すると、カーボンによる素材の還元作用により、特性が劣化したり、焼成過程で溝が塞がるという問題点がある。
【０００７】
一方前記特許文献２に記載の方法によると、１層が例えば３０μｍ程度の薄い層であるため、この薄い層に印刷などにより焼結後にガラスを塗布して絶縁することは困難であり、ガラス膜の位置ずれにより内部電極の露出部を被覆できなかったり、被覆すべきでない相手側の内部電極の露出部まで覆ってしまうおそれがある上、焼成後の個々のチップの工程数が増加し、また、側面のガラス層の厚みにより小型化が図りにくいという問題点がある。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑み、特性の劣化や製造の困難さを招くことなく、積層体の変位が大きく、応力が小さい構造の積層型圧電素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の積層型圧電素子は、複数の圧電層と複数の内部電極とにより積層体を構成し、この積層体の積層方向に平行をなす側面に、第１の内部電極が接続された第１の外部電極と第２の内部電極が接続された第２の外部電極とを設けた積層型圧電素子であって、
前記第１の内部電極の前記第２の外部電極側の縁部は前記第２の外部電極を設ける積層体の側面より内部側に位置しており、
前記第１の内部電極の前記第２の外部電極側の縁部と第２の外部電極との間にガラス層があり、
前記第２の内部電極の前記第１の外部電極側の縁部は前記第１の外部電極を設ける積層体の側面より内部側に位置しており、
前記第２の内部電極の前記第１の外部電極側の縁部と第１の外部電極との間にガラス層がある
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の積層型圧電素子は、対をなす外部電極に対し、外部電極に接続すべきでない内部電極の周辺部は、外部電極が形成されている側面より内側に位置し、内部電極と外部電極との間はガラス層で絶縁されているため、実質的に積層体の積層方向に対して垂直をなす面のほぼ全面について活性部を形成することができる。このため、応力の発生を防止し、クラックの発生を防止することができる。また、変位を生じる領域が広いため、積層型圧電素子全体の変位を大きくとることができる。
【００１１】
また、本発明の積層型圧電素子は、カーボンなどを含まない材料によって製造できるので、焼成によって圧電層や内部電極や還元させることなく、特性を劣化させることがない。
【００１２】
また、ガラス層は、ガラス含有導体ペーストをグリーンシートに印刷し、焼成することによって形成することができるので、焼成後に形成する場合のような後付け工程を増加させることなく、しかもスクリーン印刷により精度よく容易に形成することができる。
【００１３】
また、従来のように焼結後に積層体の側面にガラスを焼付けすると、その部分が突出するので、凹凸が生じ、外部電極の焼付けが難しくなるが、本発明においては、ガラス層が側面に突出しないため、外部電極の取付け面が平面となり、その取付けが容易となり、また、小型化が容易となる。
【００１４】
また、本発明の積層型圧電素子は、ガラス層以外の大部分を活性部として確保することができ、活性部の領域が拡大されると共に、絶縁すべき外部電極との間の電気的絶縁が確保される。
【００１５】
本発明による積層型圧電素子は、内部電極形成領域の周辺部にガラス含有導体ペーストを印刷し、積層後に焼成する方法により製造することができる。この方法における焼成工程の際に、内部電極形成領域からガラス成分が排除されて積層体の表面側に移動する。このため、積層体の積層面（積層体の積層方向に対して垂直をなす面）のほぼ全面にわたり形成される内部電極と側面との間にガラス層が形成されるため、実質的にほぼ積層面の全面について活性部を形成することができる。このため、応力の発生を防止し、クラックの発生を防止することが可能で、しかも変位量の大きな積層型圧電素子を提供することができる。また、ガラス層は焼成によってセラミック層である圧電層や内部電極を還元させることなく、特性を劣化させることがない。
【００１６】
また、ガラス層はグリーンシートの一部に、ガラス含有導体ペーストを印刷し、焼成することにより形成することができるので、焼成後に形成する場合のような後付け工程を増加させることなく、しかもスクリーン印刷により精度よく容易に形成することができる。
【００１７】
また、従来のように焼結後に積層体の側面にガラスを焼付けすると、その部分が突出するので、凹凸が生じ、外寸が大きくなり、小型化に不向きであり、また、外部電極の形成が難しくなるが、前記製造方法によれば、ガラス層が側面に突出しない積層体を得ることができるため、外部電極の取付け面が平面となり、その取付けが容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は本発明の積層型圧電素子の一実施の形態を示す断面図である。この圧電素子は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電特性を示す圧電層１と、積層方向に圧電層１と交互配置された内部電極２と、それぞれ内部電極２に接続して対向する側面に設けられた一対の外部電極３、３と、積層方向の両端、すなわち図面上の上下面に設けられた保護層（変位伝達面）４、４とを備える。本発明においては、外部電極３と内部電極２とを１層おきに電気的に絶縁するために、それぞれ内部電極２と同層にガラス層５を設けて積層体を構成する。
【００１９】
図１において、左寄り（右寄り）に形成される内部電極２を第１の内部電極（第２の内部電極）、第１の内部電極（第２の内部電極）２に接続される外部電極３を第１の外部電極（第２の外部電極）とすると、第１の内部電極（第２の内部電極）２の第２の外部電極（第１の外部電極）側の縁は、第２の外部電極（第１の外部電極）３を設ける積層体の側面より内部側に位置している。また、第１の内部電極（第２の内部電極）２の第２の外部電極（第１の外部電極）３側の縁部と第２の外部電極（第１の外部電極）３との間にガラス層５がある。
【００２０】
ガラス層５はガラス含有導体ペースト中の導体が焼結と収縮をし、ガラス成分が表面（側面）方向に移動することにより形成され、１０７Ω・ｃｍ以上の抵抗値を有する。ガラス層５に用いるガラスとしては、ホウケイ酸鉛系ガラス、ホウケイ酸亜鉛系ガラスの他、アルミノホウケイ酸系ガラスなどを用いることができる。
【００２１】
図２は図１に示した圧電素子の製造に用いるグリーンシート６を示す図である。この例は多数個取りを行なう例を示す。グリーンシート６は前記内部電極２を形成するもので、縦横に内部電極２とガラス含有内部電極１０がガラス含有導体ペーストの印刷により形成される。
【００２２】
図３は図２に示したグリーンシート上の１つの内部電極形成領域（ガラス含有内部電極１０を含む。）を拡大して示す。図３（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、内部電極２は、内部電極形成領域に、一部の周辺部（一辺）を残して形成される。また内部電極形成領域の残りの部分にガラス含有内部電極１０が形成される。ガラス含有内部電極１０の幅ａのグリーンシート幅ｂに対する割合ａ／ｂは０．０３〜０．２程度に設定される。図３（Ｅ）は内部電極２を形成しない保護層形成のためのグリーンシートを示す。
【００２３】
本発明の積層型圧電素子は次の工程により作製される。まず圧電特性を持たせる例えば粉体密度３０００ｋｇ／ｍ３程度のセラミック粉末を含有するグリーンシート６を作製する。このグリーンシート６は、圧電特性を得るための粉末、すなわち例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする粉末に、有機バインダ、有機溶剤等を混合したセラミックペーストを作製し、ドクターブレード法により、ＰＥＴフィルムをキャリアフィルムとしてシート成形したものである。
【００２４】
このグリーンシート６の内部電極形成領域に、内部電極２となる導体ペーストを、一部の周辺領域を残して印刷し、乾燥する。前記導体ペーストを印刷する前または後に、残りの領域に、ガラス含有内部電極ペーストを印刷し、乾燥する。ここで、導体ペーストとして用いるものは、銀−パラジウムであることが好ましく、また、電極の価格を低減するには、パラジウムの含有率が低いことが好ましい。具体的にはパラジウムの含有率を３０％以下とすることが好ましい。
【００２５】
また、内部電極２を形成する導体ペーストは、無機物としてのガラスは含まないのものが好ましいが、多少のガラスを含ませてもよい。その場合、ガラス含有内部電極１０を形成するガラス含有導体ペーストは、内部電極２を形成する導体ペーストよりもガラス含有量が多く設定される。
【００２６】
上記のように、導体ペーストおよびガラス含有導体ペーストを印刷した複数枚のグリーンシートを、一枚おきに反対向きにしてガラス含有内部電極１０が、１枚のおきに反対側になるように積層する。この積層は、５５〜６５℃で９０〜１１０ＭＰａ程度の圧力で加圧して圧着することにより行なう。
【００２７】
次にこのようにして積層した積層体を焼成する。この焼成の工程は、まず４００℃前後で脱バインダ処理を行なった後、密閉容器中にて９５０〜１０５０℃の範囲で好ましくは０．５〜４時間焼成する。この焼成後の内部電極２の厚みは１〜５μｍ、好ましくは１．５〜３μｍである。また、圧電層１の厚みは２０〜１００μｍ、好ましくは５０〜８０μｍである。
【００２８】
図４に示すように、この焼成の際に、ガラス含有内部電極１０においては、その中の導体粉末が焼結、収縮して導通部２ａを形成する。同時に、側面部（表面部）にガラスが排斥されて導体粉末を含まないガラス層５が形成され、非導通部を形成するため、電気的に遮断すべき内部電極２と外部電極３との間の電気的絶縁が良好に行なえる。なお、導通部２ａは、含有ガラスが排除されているので、実質的に内部電極２と同じ電極としての機能を有する。
【００２９】
焼成された積層体に対し、ガラス層５が整列して露出した対向する２つの側面に、その整列したガラス層５の側面での露出部と、その列において露出した他の層の内部電極２の側面での露出部に固着させて外部電極３、３を設ける。なお、この外部電極３の形成は、銀を導体粉末として含む導体ペーストの印刷、焼き付け処理により行なう。なお、この外部電極３の導体粉末としては、銀の他に、銀と他の金属との合金または金や銅等を用いることができる。また、この外部電極３の形成に、スパッタリングや無電解メッキ法等を用いることも可能である。
【００３０】
外部電極３を形成した後、加熱状態（例えば１２０℃）で外部電極３、３間に高電圧（例えば３ｋＶ／ｍｍ）を印加して分極処理を行なう。得られた圧電素子は例えば圧電層１の厚みが３０μｍ、内部電極２の厚みが３μｍ、圧電層１の層数が１００層、縦×横×高さが１０ｍｍ×１０ｍｍ×３０ｍｍの圧電素子のものである。なお、この積層型圧電素子は、平面形状が６角形や８角形あるいは円形のものも実現できる。また、使用目的により、層数、サイズは適宜変更できる。また、１つの外部電極３と複数の内部電極２との接続部は、全体として１層おきに設けるのではなく、部分的には２層連続して同じ側の外部電極３に内部電極２が接続される構成であってもよい。
【００３１】
以上に説明したように、本発明の積層型圧電素子は、外部電極３に接続すべきでない内部電極２の周辺部は、外部電極３が形成されている側面より内側に位置し、内部電極２と外部電極３との間はガラス層５で絶縁されているため、積層体の積層方向に対して垂直をなす面のほぼ全面について活性部を形成することができる。このため、応力の発生を防止し、クラックの発生を防止することができる。また、大きな変位量を得ることができる。
【００３２】
また、ガラス層５はグリーンシート６にガラス含有導体ペーストを印刷し、焼成することにより得られるので、焼成後に形成する場合のような後付け工程を増加させることなく、しかもスクリーン印刷により精度よく容易に形成することができる。
【００３３】
また、従来のように焼結後に積層体の側面にガラスを焼付けすると、その部分が突出するので、凹凸が生じ、形状が大きくなり、小型化に不向きとなり、外部電極の形成が難しくなるが、本発明においては、ガラス層５が積層体の側面にほとんど突出しないため、外部電極３の形成が容易となり、小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の積層型圧電素子の一実施の形態を示す断面図である。
【図２】図１の積層型圧電素子を得るためのグリーンシート上の印刷パターンを示す平面図である。
【図３】（Ａ）、（Ｃ）は１つの内部電極印刷領域上の内部電極とガラス含有内部電極の印刷パターンを示す平面図、（Ｂ）、（Ｄ）はそれぞれ（Ａ）、（Ｃ）の側面図、（Ｄ）は保護層となるグリーンシートを示す平面図である。
【図４】前記本発明の実施の形態の圧電素子のガラス層の部分の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１：圧電層、２：内部電極、２ａ：導通部、３：外部電極、４：保護層、５：ガラス層、６：グリーンシート、７、８：切断線、１０：ガラス含有内部電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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